Östenitik Paslanmaz Çeliklerde Karbür Çökelmesi(Hassaslaşma)

Östenitik paslanmaz çeliklerde korozyon direncini sağlayan temel alaşım elementi kromdur. Ancak kromun karbona olan kimyasal afinitesi (bağ kurma eğilimi) oldukça yüksektir. Bu nedenle, yüksek karbonlu alaşımlı çeliklerde sıvı metalin karbonla temas etmesi veya karbonlayıcı bir atmosferin bulunması durumunda, özellikle kaynak işlemleri sırasındaki termal çevrimlere bağlı olarak belirgin bir karbürleşme eğilimi gözlemlenir.

Özellikle 18/8 tipi (AISI 304 serisi) östenitik paslanmaz çelikler, 450 °C ile 850 °C sıcaklık aralığında ısıtıldıklarında, bu sıcaklık aralığından yavaş soğutulduklarında veya bu aralıkta bekletildiklerinde yapı içerisinde krom karbür çökelmesi meydana gelir. Hassaslaşma (sensitization) olarak da bilinen bu durum, çeliğe korozyon dayanımı kazandıran krom elementinin pasivasyon işlevini yerine getirememesine yol açar.

Mekanizma ve Taneler Arası Korozyon Etkisi

Sıcaklığın 450 °C’nin üzerine çıkmasıyla birlikte atomik difüzyon hızı artar. Karbonun kroma olan yüksek afinitesi sonucunda, matris içerisindeki karbon ve krom atomları tane sınırlarına doğru difüze olarak birleşir ve krom karbür ($Cr_{23}C_{6}$) bileşiğini oluşturur.

Meydana gelen bu karbür yapısının ağırlıkça yaklaşık %90’ı kromdan oluşmaktadır. Tane sınırlarında bulunan çok düşük miktardaki karbon dahi, reaksiyona girmek için yüksek miktarda kroma ihtiyaç duyduğundan, östenit tanelerinin sınır bölgelerindeki serbest krom miktarını paslanmazlık sınırı olan %12’nin oldukça altına düşürür. Sürekli bir ağ şeklinde çökelen bu krom karbürler, tane sınırlarında “kromca fakirleşmiş zonlar” yaratır.

Sonuç olarak, 450-850 °C aralığında ısıl işleme veya kaynak işlemine maruz kalan krom-nikelli östenitik çelikler korozyon dirençlerini yitirirler. Malzeme korozif bir ortama maruz kaldığında, korozyon hücreleri oluşur ve krom miktarının düştüğü bu tane sınırları boyunca anodik çözünme başlar. Taneler arası korozyon (intergranular corrosion) olarak adlandırılan bu hasar mekanizması, malzemenin makroskopik bütünlüğünü çok kısa sürede bozarak yapının göçmesine neden olabilir.

Karbür Çökelmesini (Hassaslaşmayı) Önleme Yöntemleri

Karbür çökelmesini ve buna bağlı gelişen taneler arası korozyonu engellemek amacıyla endüstriyel uygulamalarda üç temel metalürjik yaklaşım benimsenmektedir:

• Karbon Miktarının Sınırlandırılması: Karbür oluşum reaksiyonunun temel bileşeni olan karbon miktarının azaltılması, çökelme kinetiğini yavaşlatır. Karbon oranının %0,06’nın (veya ekstra düşük karbonlu L serisi çeliklerde %0,03’ün) altında tutulması, tane sınırlarındaki karbür miktarını minimize ederek malzemenin kaynak kabiliyetini artırır ve korozyon riskini tolere edilebilir seviyelere çeker.
• Alaşımlama (Stabilizasyon): Çelik kompozisyonuna, karbona olan afinitesi kromdan daha yüksek olan Titanyum (Ti), Niyobyum (Nb) veya Tantal (Ta) gibi karbür yapıcı elementlerin ilave edilmesi yöntemidir. Bu elementler öncelikli olarak karbonla reaksiyona girerek kendi karbürlerini oluşturur; böylece matris içerisindeki krom serbest kalarak korozyon direncini sağlamaya devam eder (Örn: AISI 321 ve 347 kalite çelikler).
• Çözeltiye Alma Tavlaması (Isıl İşlem): Kaynak veya şekillendirme işlemleri sonrasında tane sınırlarında karbür çökelmesi halihazırda gerçekleşmişse, mikroyapıyı eski haline getirmek için çözeltiye alma ısıl işlemi uygulanır. Parça homojen bir şekilde 1050 °C – 1100 °C sıcaklık aralığına kadar ısıtılarak, çökelmiş olan krom karbürlerin östenit matris içerisinde yeniden çözünmesi (katı eriyik haline geçmesi) sağlanır. Ardından uygulanan ani soğutma (su verme) işlemi ile karbon atomlarının yeniden çökelmesi engellenir. Ancak bu yöntemin, büyük hacimli ve karmaşık kaynaklı konstrüksiyonlarda uygulanması pratik ve ekonomik açıdan uygun değildir.